WO2014137092A1 - 스퍼터 전원 장치 - Google Patents

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WO2014137092A1
WO2014137092A1 PCT/KR2014/001496 KR2014001496W WO2014137092A1 WO 2014137092 A1 WO2014137092 A1 WO 2014137092A1 KR 2014001496 W KR2014001496 W KR 2014001496W WO 2014137092 A1 WO2014137092 A1 WO 2014137092A1
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pulse
voltage
pulse signal
section
stepped
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PCT/KR2014/001496
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Inventor
황윤석
고정곤
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(주) 화인솔루션
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3485—Sputtering using pulsed power to the target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3464—Operating strategies
    • H01J37/3467—Pulsed operation, e.g. HIPIMS

Definitions

  • the present invention relates to sputters, and more particularly, to a sputter power supply device for supplying power to a sputter.
  • Sputter is a device for manufacturing a thin film by the sputtering method.
  • the sputtering process injects argon (Ar) gas in a vacuum state, has a flat or cylindrical target made of a material material on the cathode side, places a substrate on the anode side, and then a high voltage between the cathode and the anode. Is applied.
  • argon is ionized to a plasma state, and the ionized argon particles (Ar + ) are accelerated by the voltage difference and strike the target.
  • the target material sticks out and accumulates on the substrate on the opposite side, through which a thin film is formed.
  • DC power, AC power, pulse power, and the like are applied to the cathode.
  • the type of voltage to be used is determined by considering the quality of the thin film and the process efficiency. For example, when a direct current power source is used, the film quality is excellent because of the high density, but the process efficiency is not very good due to poor deposition rate and adhesion. Like DC power, AC power is also high in density and excellent in film quality, but poor in deposition rate and adhesion, resulting in poor process efficiency. On the other hand, unlike a DC power supply or an AC power supply, a pulse power supply has a low density and does not have excellent film quality. However, due to its good deposition rate and adhesion, the process efficiency is considerably good.
  • the present invention is to solve the problem of using the pulse voltage
  • the sputtering power supply apparatus of the present invention for achieving this object repeatedly applies a pulse power source consisting of a pulse signal section having a predetermined pattern and a black signal section not containing pulses.
  • the pulse signal section may include a first pulse signal string for generating a first step voltage and a second pulse signal string for generating a second step voltage higher than the first step voltage in a cathode portion adjacent to the first pulse signal string. It is configured to include.
  • the black signal section is adjacent to the pulse signal section and does not include a pulse signal string.
  • the sputtering power supply device configures the pulse signal section and the black signal section in one package and repeatedly applies them to the cathode unit.
  • the sputtering power supply apparatus of the present invention changes the magnitudes of the first step voltage and the second step voltage in at least one of the number of pulses, pulse width, and pulse amplitude of the first pulse signal string or the second pulse signal string in the pulse signal section. Adjust
  • the sputtering power supply apparatus of the present invention may further include a third pulse signal string which generates a third step voltage that is adjacent to the second pulse signal string and higher than the second step voltage in the cathode portion in the pulse signal section.
  • the sputtering power supply device adjusts the magnitude of the third step voltage by changing at least one of the number of pulses, the pulse width, and the pulse amplitude of the third pulse signal string.
  • the sputtering power supply device of the present invention can configure the pulse signal section in another form. That is, the pulse signal section may include a first pulse signal string for generating a first step voltage and a second pulse signal for generating a second step voltage lower than the first step voltage in a cathode part adjacent to the first pulse signal string. And a third pulse signal string adjacent to the second pulse signal string and generating a third step voltage higher than the first step voltage in the cathode portion.
  • the magnitude of the first, second, and third stepped voltages is adjusted by changing at least one of the number of pulses, pulse widths, and pulse amplitudes of the first, second, and third pulse signal strings.
  • the sputtering power supply device of the present invention having such a configuration, it is possible to minimize the occurrence of the instantaneous high voltage in the cathode portion due to the pulse voltage applied to the cathode portion. Through this, in the sputtering process using a pulse power supply, thin film defects caused by instantaneous high voltages, for example, stress and cracks, can be suppressed. Moreover, according to the sputtering power supply apparatus of this invention, the quality of the film
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of a sputter.
  • FIG. 2A illustrates an incremental step voltage of three steps as an applied voltage between a cathode portion and a carrier, and a modulation pulse type voltage applied to the cathode portion for this purpose.
  • FIG. 2B illustrates a modified step voltage of three steps of increasing / decreasing / increasing as an applied voltage between the cathode portion and the carrier and a modulation pulsed voltage applied to the cathode portion for this purpose.
  • 3A shows an example of forming a two step step voltage by adjusting the pulse amplitude.
  • 3B shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the pulse width.
  • 3C shows an example of forming a two-step step voltage by adjusting the width and amplitude of the pulse.
  • 3D shows an example of forming a two step step voltage by adjusting the number of pulses and the pulse width.
  • 3E shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the number of pulses and the pulse amplitude.
  • FIG. 3F shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the number of pulses, the pulse amplitude, and the pulse width.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of a sputter.
  • the sputter 100 includes a vacuum chamber 110, a cathode 120, a power supply 130, a carrier 140, and the like.
  • the vacuum chamber 110 forms a sealed space of a predetermined size therein, and maintains the inside in a vacuum. Inert gas such as argon, xenon, or the like is injected into the vacuum chamber 110.
  • the cathode part 120 includes a cathode electrode and is positioned in the vacuum chamber 110 to face the carrier 140.
  • the power supply unit 130 supplies pulse power to the cathode unit 120.
  • a high voltage of the cathode is applied to the cathode unit 130.
  • the carrier 140 supports the substrate S on the surface facing the cathode part 120.
  • the carrier 140 may be fixed in the vacuum chamber 110 or configured to move the vacuum chamber 110.
  • the sputtering process first vacuums the inside of the vacuum chamber 110, and inerts an inert gas such as argon into the inside thereof. After that, the high voltage of the cathode is applied to the cathode unit 120 while the carrier 140 is grounded. When a high voltage is applied between the cathode unit 120 and the carrier 140, the argon gas is ionized to a plasma state. The ionized argon ions (Ar + ) are accelerated by the high voltage and hit the target (T). At this time, the material protrudes from the target T and moves toward the carrier 140 and adheres to the substrate S supported on the entire surface of the carrier 140. Through this process, the target (T) material is stacked in a thin film form on the substrate (S).
  • an inert gas such as argon into the inside thereof.
  • the high voltage of the cathode is applied to the cathode unit 120 while the carrier 140 is grounded.
  • the argon gas is ionized to a
  • FIG. 2A illustrates an incremental step voltage of three steps as an applied voltage between a cathode portion and a carrier, and a modulation pulse type voltage applied to the cathode portion for this purpose.
  • the power supply unit 130 applies a modulation pulse type voltage to the cathode unit 120 to generate three step voltages between the cathode unit 120 and the carrier 140. do.
  • a high-density plasma is applied to the front space of the cathode unit 120 by applying a three-step step voltage Vcc1 having a gradually increasing level between the cathode unit 120 and the carrier 140. It can be generated stably. In this case, the deposition rate and the density of the thin film stacked on the substrate S are increased, and as a result, a high quality film can be formed on the substrate S.
  • the three stepped step voltage Vcc1 includes a first section I11 having a first stepped voltage, a second section I12 having a second stepped voltage, and a third section I13 having a third stepped voltage. .
  • a black signal section Z1 without a pulse signal string is inserted between the three stepped step voltages Vcc1, and as a result, the three stepped step voltages Vcc1 are formed in the first, second and third sections I11, I12, and I13. It has a period including the black signal period Z1.
  • the three stepped step voltage Vcc1 is generated by adjusting the number of pulses having the same pulse width and pulse amplitude applied in each of the sections I11, I12, and I13. This is because when the number of pulses in each of the sections I11, I12, and I13 is changed, the stepped voltage in each of the sections I11, I12, and I13, which is represented by the RMS value of the pulses, is also changed.
  • the first stepped voltage SV11 is generated by the first pulse train of the first frequency f11.
  • the first section I11 is a low ionization step, a so-called ignition step, and is stabilized to the first stepped voltage SV1 through a predetermined transition step.
  • a low density plasma is generated between the cathode 120 and the carrier 140.
  • the second stepped voltage SV12 is generated by the second pulse train having the second frequency f12 higher than the first frequency f11.
  • the second section I12 is an intermediate ionization step, and is stabilized to the second stepped voltage SV12 through a predetermined transition step.
  • the second stepped voltage SV12 is higher than the first stepped voltage SV11 because the number of second pulse trains is greater than the number of first pulse trains.
  • a medium density plasma is generated between the cathode unit 120 and the carrier 140.
  • the third stepped voltage SV13 is generated by the third pulse train having the third frequency f13 higher than the second frequency f12.
  • the third section I13 is a high ionization step and is stabilized to the third stepped voltage SV13 through a predetermined transition step.
  • the third step voltage SV13 is higher than the second step voltage SV12 because the number of third pulse trains is greater than the number of second pulse trains.
  • a high-density plasma is generated between the cathode unit 120 and the carrier 140. In this section, a large amount of target material sticks out of the target T and adheres to the substrate S. As a result, the actual process of sputtering takes place in this section I13.
  • FIG. 2B illustrates a modified step voltage of three steps of increasing / decreasing / increasing as an applied voltage between the cathode portion and the carrier and a modulation pulsed voltage applied to the cathode portion for this purpose.
  • the three stepped step voltage Vcc2 includes a first section I21 having a first step voltage, a second section I22 having a second step voltage, and a third section I23 having a third step voltage. It is configured by.
  • the black signal section Z2 without the pulse signal string is inserted between the three stepped step voltages Vcc2, and as a result, the third stepped step voltage Vcc2 is divided into the first, second, and third periods I21, I22, and I23. ) And a black signal period Z2.
  • the third stepped step voltage Vcc2 may also be generated by adjusting the number of pulses having the same amplitude and the same pulse width in each of the sections I21, I22, and I23.
  • the first stepped voltage SV21 is generated by the first pulse train of the first frequency f21.
  • the first section I21 is an intermediate ionization step, a so-called ignition step, and is stabilized to the first stepped voltage SV21 through a predetermined transition step.
  • a plasma having a medium density is generated between the cathode unit 120 and the carrier 140.
  • the second stepped voltage SV22 is generated by the second pulse train having the second frequency f22 lower than the first frequency f21.
  • the second section I22 is a low ionization step and is stabilized to the second stepped voltage SV22 through a predetermined transition step.
  • the second stepped voltage SV22 is lower than the first stepped voltage SV21 because the number of second pulse trains is smaller than the number of first pulse trains.
  • a low density plasma is generated between the cathode 120 and the carrier 140.
  • generating the stepped voltage SV22 of the second section I22 lower than the first section I21 is an instant in the transition phase of the third section I23 when the actual sputtering process is performed in the third section I23. This is to minimize the occurrence of high voltage.
  • the third stepped voltage SV23 is generated by the third pulse train having the third frequency f23 higher than the first frequency f21 and the second frequency f22.
  • the third section I23 is a high ionization step and is stabilized to the third stepped voltage SV23 through a predetermined transition step.
  • the third stepped voltage SV23 is higher than the first and second stepped voltages SV21 and SV22 because the number of the third pulse trains is greater than the number of the first pulse trains or the second pulse trains.
  • a high density plasma is generated between the cathode 120 and the carrier 140, and a substantial sputtering process in which a large amount of the target material is attached to the substrate S in the section I23. This is done.
  • the stepped voltage SV22 is reduced in the second section I22, the possibility of the momentary high voltage occurring in the transition stage of the third section I23 is lowered, and as a result, a high quality thin film is formed in the third section I23. You are more likely to do it.
  • 3A to 3F show various modifications of the modulation pulsed voltage for generating the step voltage.
  • 3A to 3F illustrate two stepped step voltages, which can also achieve the effect of plasma stabilization described in FIGS. 2A and 2B.
  • modulated pulsed voltages applied to the cathode electrode are exemplified on the assumption that the level difference is increased as the applied voltage between the cathode portion 120 and the carrier 140.
  • FIG. 3A shows an example of forming a two-step step voltage by adjusting a pulse amplitude.
  • the number and width of the pulses in the first section I31 and the second section I41 are the same, but the amplitude of each pulse in the second section I41 is equal to that of the first section I31. Greater than the amplitude of each pulse.
  • the stepped voltage SV332 of the second section I41 which is represented by the effective value of the pulses, is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31.
  • the second stepped step voltage is increased by the cathode unit 120. And between the carrier 140.
  • 3B shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the pulse width.
  • the number and amplitude of the pulses in the first section I31 and the second section I42 are the same, but the width of each pulse in the second section I42 is equal to the width of the first section I31. Greater than the width of each pulse.
  • the stepped voltage SV32 of the second section I42 which is represented by the effective value of the pulses, is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31, and as a result, the second stepped step voltage is increased by the cathode portion 120. And between the carrier 140.
  • 3C shows an example of forming a two-step step voltage by adjusting the width and amplitude of the pulse.
  • the number of pulses in the first section I31 and the second section I43 is the same, but the width and amplitude of the pulses in the second section I43 are equal to each pulse in the first section I31. Is greater than the width and amplitude.
  • the stepped voltage SV32 of the second section I43 which is represented by the effective value of the pulses, is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31, resulting in the second stepped step voltage being the cathode unit 120. And between the carrier 140.
  • 3D shows an example of forming a two step step voltage by adjusting the number of pulses and the pulse width.
  • the pulse amplitudes of the first section I31 and the second section I44 are the same, but the number and width of the pulses in the second section I44 are the same as those of the pulses of the first section I31. Greater than number and width As a result, the stepped voltage SV32 of the second section I44 represented by the effective value of the pulses is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31, and as a result, the second stepped step voltage is increased by the cathode unit 120. And between the carrier 140.
  • 3E shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the number of pulses and the pulse amplitude.
  • the pulse widths of the first section I31 and the second section I45 are the same, but the number of pulses and the pulse amplitude of the first section I31 are the same as those of the first section I31. And is greater than the pulse amplitude.
  • the stepped voltage SV32 of the second section I45 represented by the effective value of the pulses is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31, so that the second stepped step voltage becomes the cathode portion 120. And between the carrier 140.
  • FIG. 3F shows an example in which the second stepped step voltage is formed by adjusting the number of pulses, the pulse amplitude, and the pulse width.
  • the pulse number, pulse amplitude, and pulse width in the second section I46 are greater than the pulse number, pulse amplitude, and pulse width in the first section I31.
  • the stepped voltage SV32 of the second section I46 represented by the effective value of the pulses is larger than the stepped voltage SV31 of the first section I31, and as a result, the second stepped step voltage is increased by the cathode unit 120. And between the carrier 140.
  • the present invention is used in the sputtering, to minimize the occurrence of instantaneous high voltage in the cathode portion due to the pulse voltage applied to the cathode portion.
  • a pulse power supply thin film defects caused by instantaneous high voltages, for example, stress and cracks, are suppressed.

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Abstract

스퍼터 전원 장치에 관한 것으로, 펄스 신호 구간과 블랙 신호 구간을 반복적으로 스퍼터의 캐소스부에 인가한다. 펄스 신호 구간은 캐소드부에 제1 단차 전압을 발생시키는 제1 펄스 신호 열과, 제1 펄스 신호 열에 인접하고 캐소드부에 제1 단차 전압보다 높은 제2 단차 전압을 발생시키는 제2 펄스 신호 열을 포함하여 구성된다. 블랙 신호 구간은 펄스 신호 구간에 인접하고 펄스 신호 열을 포함하지 않는다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 15.04.2014]　스퍼터 전원 장치
본 발명은 스퍼터에 관한 것으로, 상세하게는 스퍼터에 전원을 공급하는 스퍼터 전원 장치에 관한 것이다.
스퍼터(Sputter)는 스퍼터링 방식으로 박막을 제조하는 장치이다. 스퍼터링 공정은 진공 상태에서 아르곤(Ar) 가스를 주입하고, 캐소드(Cathode) 측에 재료 물질인 평판형 또는 원통형 타겟을 두고, 애노드(Anode) 측에 기판을 배치한 후, 캐소드와 애노드 사이에 고전압을 인가한다. 고전압이 인가되면 아르곤이 이온화되어 플라즈마 상태가 되고, 이온화된 아르곤 입자(Ar+)는 전압차에 의해 가속되어 타겟에 부딪힌다. 이때, 타겟 물질이 튀어나와 반대 쪽에 있는 기판에 쌓이는데, 이를 통해 기판에 박막이 형성된다.
스퍼터링 공정에서, 캐소드에는 직류 전원, 교류 전원, 펄스 전원 등을 인가한다. 어떤 유형의 전압을 사용할 지는 박막의 품질, 공정 효율 등을 고려하여 결정한다. 예를들어, 직류 전원을 사용하면, 치밀도가 좋아 막의 품질은 우수하나, 증착률이나 부착력이 떨어져 공정 효율이 그리 좋지 않다. 교류 전원도, 직류 전원과 마찬가지로 치밀도가 좋아 막의 품질은 우수하나, 증착률이나 부착력이 떨어져 공정 효율이 그리 좋지 않다. 한편, 펄스 전원은, 직류 전원이나 교류 전원과 달리, 치밀도가 떨어져 막의 품질은 그리 우수하지 않으나, 증착률이나 부착력이 좋아 공정 효율은 상당히 양호하다.
생산성, 비용 등의 측면에서 보면, 공정 효율이 좋은 펄스 전원을 사용하는 것이 바람직한데, 막의 품질이 그리 좋지 않아 펄스 전원을 사용하는데 어려움이 있다. 펄스 전원을 사용할 때 막의 품질이 떨어지는 이유는 펄스의 상승 구간에서 순간적으로 발생하는 고전압에 기인하는 것으로 분석되고 있다. 따라서, 펄스 전원을 사용하려면, 이러한 순간 고전압을 억제할 필요가 있다.
본 발명은 이러한 펄스 전압의 사용상 문제점을 해결하기 위한 것으로,
첫째, 캐소드에 인가되는 펄스 전압에서 순간 고전압이 발생하는 것을 억제하고,
둘째, 이를 통해 펄스 전원을 이용하는 스퍼터링 공정에서 공정 효율을 높이면서도 고품질의 막을 생성할 수 있는 스퍼터 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스퍼터 전원 장치는, 소정 패턴을 갖는 펄스 신호 구간과 펄스를 포함하지 않는 블랙 신호 구간으로 구성되는 펄스 전원을 스퍼터의 캐소드부에 반복적으로 인가한다.
펄스 신호 구간은, 캐소드부에 제1 단차 전압을 발생시키는 제1 펄스 신호 열, 제1 펄스 신호 열에 인접하고 캐소드부에 제1 단차 전압보다 높은 제2 단차 전압을 발생시키는 제2 펄스 신호 열을 포함하여 구성된다.
블랙 신호 구간은 펄스 신호 구간에 인접하며 펄스 신호 열을 포함하지 않는다.
이와 같이, 스퍼터 전원 장치는 펄스 신호 구간과 블랙 신호 구간을 하나의 패키지로 구성하여 반복적으로 캐소드부에 인가한다.
본 발명의 스퍼터 전원 장치는, 펄스 신호 구간에서, 제1 단차 전압과 제2 단차 전압의 크기를 제1 펄스 신호 열 또는 제2 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절한다.
본 발명의 스퍼터 전원 장치는, 펄스 신호 구간에서, 제2 펄스 신호 열에 인접하고 캐소드부에 제2 단차 전압보다 높은 제3 단차 전압을 발생시키는 제3 펄스 신호 열을 더 포함할 수 있다. 여기서, 스퍼터 전원 장치는 제3 단차 전압의 크기를 제3 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절한다.
본 발명의 스퍼터 전원 장치는 펄스 신호 구간을 다른 형태로 구성할 수 있다. 즉, 펄스 신호 구간은, 캐소드부에 제1 단차 전압을 발생시키는 제1 펄스 신호 열, 제1 펄스 신호 열에 인접하고 캐소드부에 제1 단차 전압보다 낮은 제2 단차 전압을 발생시키는 제2 펄스 신호 열, 그리고 제2 펄스 신호 열에 인접하고 캐소드부에 제1 단차 전압보다 높은 제3 단차 전압을 발생시키는 제3 펄스 신호 열을 포함하도록 구성할 수 있다.
제1,2,3 단차 전압의 크기는 제1,2,3 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절한다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 스퍼터 전원 장치에 의하면, 캐소드부에 인가되는 펄스 전압으로 인해 캐소드부에 순간 고전압이 발생하는 것을 최소화할 수 있다. 이를 통해, 펄스 전원을 이용하는 스퍼터링 공정에서, 순간 고전압으로 인해 발생하는 박막 결함, 예를들어 스트레스, 균열 등을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 스퍼터 전원 장치에 의하면, 기판에 형성되는 막의 품질을 높일 수 있어 고효율 공정과 고품질 박막을 동시에 이룰 수 있는 스퍼터를 제공할 수 있다.
도 1은 스퍼터의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2a는 캐소드부와 캐리어 사이의 인가 전압으로서 점점 증가하는 3 단차의 스텝 전압과 이를 위해 캐소드부에 인가하는 변조 펄스형 전압을 예시하고 있다.
도 2b는 캐소드부와 캐리어 사이의 인가 전압으로서 증가/감소/증가하는 3 단차의 변형 스텝 전압과 이를 위해 캐소드부에 인가하는 변조 펄스형 전압을 예시하고 있다.
도 3a는 펄스 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3b는 펄스 폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3c는 펄스의 폭과 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3d는 펄스 수와 펄스 폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3e는 펄스 수와 펄스 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3f는 펄스 수, 펄스 진폭, 펄스 폭을 모두 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 1은 스퍼터의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 스퍼터(100)는 진공 챔버(110), 캐소드부(120), 전원부(130), 캐리어(140) 등을 포함한다.
진공 챔버(110)는 내부에 일정 크기의 밀폐 공간을 형성하며, 그 내부를 진공으로 유지한다. 진공 챔버(110) 내에는 불활성 가스, 예를들어 아르곤, 크세논 등이 주입된다.
캐소드부(120)는 캐소드 전극을 포함하며, 진공 챔버(110) 내에서 캐리어(140)와 대향하여 위치한다.
전원부(130)는 캐소드부(120)에 펄스 전원을 공급한다. 일반적으로, 캐소드부(130)에는 음극의 고전압이 인가된다.
캐리어(140)는 캐소드부(120)로 향하는 면에 기판(S)를 지지한다. 캐리어(140)는 진공 챔버(110) 내에 고정되거나, 또는 진공 챔버(110)를 이동하는 형태로 구성할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 스퍼터(100)에서, 스퍼터링 공정은 먼저 진공 챔버(110) 내부를 진공으로 하고, 그 내부에 아르곤 등의 불활성 가스를 주입한다. 이 후, 캐리어(140)를 접지한 상태로, 캐소드부(120)에 음극의 고전압을 인가한다. 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 고전압이 인가되면 아르곤 가스가 이온화되어 플라즈마 상태가 된다. 이온화된 아르곤 이온(Ar+)은 고전압에 의해 가속되어 타겟(T)에 부딪힌다. 이때, 타겟(T)으로부터 물질이 튀어나와 캐리어(140) 쪽으로 이동하여, 캐리어(140) 전면에 지지되는 기판(S)에 붙는다. 이러한 공정을 통해, 기판(S)에는 타켓(T) 물질이 박막 형태로 적층된다.
도 2a는 캐소드부와 캐리어 사이의 인가 전압으로서 점점 증가하는 3 단차의 스텝 전압과 이를 위해 캐소드부에 인가하는 변조 펄스형 전압을 예시하고 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 전원부(130)는 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 3개으로 단차로 구성되는 스텝 전압을 발생시키기 위해 변조 펄스형 전압을 캐소드부(120)에 인가한다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 레벨이 점점 증가하는 3 단차 스텝 전압(Vcc1)이 인가되도록 함으로써, 캐소드부(120)의 전면 공간에 고밀도의 플라즈마가 안정적으로 발생시킬 수 있다. 이 경우, 기판(S)에 쌓이는 박막의 증착률과 치밀도가 높아지며, 그 결과 기판(S)에는 고품질의 막이 형성될 수 있다.
3 단차 스텝 전압(Vcc1)은 제1 단차 전압을 갖는 제1 구간(I11), 제2 단차 전압을 갖는 제2 구간(I12), 그리고 제3 단차 전압을 갖는 제3 구간(I13)을 포함한다. 3 단차 스텝 전압(Vcc1)들 사이에는 펄스 신호 열이 없는 블랙 신호 구간(Z1)이 삽입되며, 그 결과 3 단차 스텝 전압(Vcc1)은 제1,2,3 구간(I11,I12,I13)과 블랙 신호 구간(Z1)을 포함하는 주기를 갖게 된다.
3 단차 스텝 전압(Vcc1)은 각 구간(I11,I12,I13)에서 인가되는 동일한 펄스 폭과 펄스 진폭을 갖는 펄스들의 수를 조절함으로써 생성된다. 이는 각 구간(I11,I12,I13)에서 펄스들의 수가 달라지면 펄스들의 실효값(RMS)으로 나타나는 각 구간(I11,I12,I13)의 단차 전압도 달라지기 때문이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I11)에서는 제1 주파수(f11)의 제1 펄스 열에 의해 제1 단차 전압(SV11)이 발생한다. 제1 구간(I11)은 낮은 이온화 단계로서 소위 점화 단계이며, 소정의 전이 단계를 거쳐 제1 단차 전압(SV1)으로 안정화된다. 제1 구간(I11)에서는 캐소드부(120)과 캐리어(140) 사이에 낮은 밀도의 플라즈마가 생성된다.
제2 구간(I12)에서는 제1 주파수(f11)보다 높은 제2 주파수(f12)의 제2 펄스 열에 의해 제2 단차 전압(SV12)이 발생한다. 제2 구간(I12)은 중간 이온화 단계로서, 소정의 전이 단계를 거쳐 제2 단차 전압(SV12)으로 안정화된다. 제2 단차 전압(SV12)은 제1 단차 전압(SV11)보다 높은데, 이는 제2 펄스 열의 수가 제1 펄스 열의 수보다 많기 때문이다. 제2 구간(I12)에서는, 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 중간 밀도의 플라즈마가 생성된다.
제3 구간(I13)에서는 제2 주파수(f12)보다 높은 제3 주파수(f13)의 제3 펄스 열에 의해 제3 단차 전압(SV13)이 발생한다. 제3 구간(I13)은 높은 이온화 단계로서, 소정의 전이 단계를 거쳐 제3 단차 전압(SV13)으로 안정화된다. 제3 단차 전압(SV13)은 제2 단차 전압(SV12)보다 높은데, 이는 제3 펄스 열의 수가 제2 펄스 열의 수보다 많기 때문이다. 제3 구간(I13)에서는 캐소드부(120)과 캐리어(140) 사이에 높은 밀도의 플라즈마가 생성되는데, 이 구간에서 많은 양의 타겟 물질이 타겟(T)에서 튀어나와 기판(S)에 부착되며, 그 결과 스퍼터링의 실질적 공정은 이 구간(I13)에서 이루어진다.
도 2b는 캐소드부와 캐리어 사이의 인가 전압으로서 증가/감소/증가하는 3 단차의 변형 스텝 전압과 이를 위해 캐소드부에 인가하는 변조 펄스형 전압을 예시하고 있다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 레벨이 증가하다가 감소한 후 다시 증가하는 3개 단차의 변형 스텝 전압(Vcc2)을 인가하는 경우, 캐소드부(120)의 전면 공간에 고밀도의 플라즈마를 보다 안정적으로 발생시킬 수 있다.
3 단차 변형 스텝 전압(Vcc2)은 제1 단차 전압을 갖는 제1 구간(I21), 제2 단차 전압을 갖는 제2 구간(I22), 그리고 제3 단차 전압을 갖는 제3 구간(I23)을 포함하여 구성된다. 3 단차 변형 스텝 전압(Vcc2)들 사이에는 펄스 신호 열이 없는 블랙 신호 구간(Z2)이 삽입되며, 그 결과 3 단차 변형 스텝 전압(Vcc2)은 제1,2,3 구간(I21,I22,I23)과 블랙 신호 구간(Z2)을 포함하는 주기를 갖게 된다.
3 단차 변형 스텝 전압(Vcc2)도 각 구간(I21,I22,I23)에서 동일 진폭과 동일 펄스 폭을 갖는 펄스들의 수를 조절함으로써 생성될 수 있다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I21)에서는 제1 주파수(f21)의 제1 펄스 열에 의해 제1 단차 전압(SV21)이 발생한다. 제1 구간(I21)은 중간 이온화 단계로서 소위 점화 단계이며, 소정의 전이 단계를 거쳐 제1 단차 전압(SV21)으로 안정화된다. 제1 구간(I21)에서는 캐소드부(120)과 캐리어(140) 사이에 중간 밀도의 플라즈마가 생성된다.
제2 구간(I22)에서는 제1 주파수(f21)보다 낮은 제2 주파수(f22)의 제2 펄스 열에 의해 제2 단차 전압(SV22)이 발생한다. 제2 구간(I22)은 낮은 이온화 단계로서, 소정의 전이 단계를 거쳐 제2 단차 전압(SV22)으로 안정화된다. 제2 단차 전압(SV22)은 제1 단차 전압(SV21)보다 낮은데, 이는 제2 펄스 열의 수가 제1 펄스 열의 수보다 적기 때문이다. 제2 구간(I22)에서는, 캐소드부(120)과 캐리어(140) 사이에 낮은 밀도의 플라즈마가 생성된다. 여기서, 제2 구간(I22)의 단차 전압(SV22)를 제1 구간(I21)보다 낮게 생성하는 것은 제3 구간(I23)에서 실질적인 스퍼터링 공정이 이루어질 때 제3 구간(I23)의 전이 단계에서 순간 고전압이 발생하는 것을 극소화하기 위함이다.
제3 구간(I23)에서는 제1 주파수(f21) 및 제2 주파수(f22)보다 높은 제3 주파수(f23)의 제3 펄스 열에 의해 제3 단차 전압(SV23)이 발생한다. 제3 구간(I23)은 높은 이온화 단계로서, 소정의 전이 단계를 거쳐 제3 단차 전압(SV23)으로 안정화된다. 제3 단차 전압(SV23)은 제1 및 제2 단차 전압(SV21,SV22)보다 높은데, 이는 제3 펄스 열의 수가 제1 펄스 열 또는 제2 펄스 열의 수보다 많기 때문이다. 제3 구간(I23)에서는 캐소드부(120)과 캐리어(140) 사이에 높은 밀도의 플라즈마가 생성되며, 이 구간(I23)에서 많은 양의 타겟 물질이 기판(S)에 부착되는 실질적인 스프터링 공정이 이루어진다. 특히, 제2 구간(I22)에서 단차 전압(SV22)이 감소됨으로써, 제3 구간(I23)의 전이 단계에서 순간 고전압이 발생할 가능성이 낮아졌고 그 결과 제3 구간(I23)에서 고품질의 박막을 형성할 가능성이 높아진다.
도 3a 내지 도3f는 스텝 전압을 생성하기 위한 변조 펄스형 전압의 다양한 변형례를 도시하고 있다.
도 3a 내지 도 3f는 2 단차 스텝 전압들을 예시하고 있는데, 이들 2 단차 스텝 전압도 도 2a,2b에서 설명한 플라즈마 안정화의 효과를 달성할 수 있다. 이런 c측면에서, 이하에서는, 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이의 인가 전압으로서 레벨이 증가하는 2 단차 스텝 전압을 전제로 하여, 캐소드 전극에 인가하는 변조 펄스형 전압들을 예시한다.
먼저, 도 3a는 펄스 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I31)과 제2 구간(I41)의 펄스의 수와 폭은 동일하지만, 제2 구간(I41)의 각 펄스의 진폭이 제1 구간(I31)의 각 펄스의 진폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I41)의 단차 전압(SV332)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
도 3b는 펄스 폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I31)과 제2 구간(I42)의 펄스의 수와 진폭은 동일하지만, 제2 구간(I42)의 각 펄스의 폭이 제1 구간(I31)의 각 펄스의 폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I42)의 단차 전압(SV32)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
도 3c는 펄스의 폭과 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I31)과 제2 구간(I43)의 펄스 수는 동일하지만, 제2 구간(I43)에서 펄스의 폭과 진폭이 제1 구간(I31)의 각 펄스의 폭과 진폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I43)의 단차 전압(SV32)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차 스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
도 3d는 펄스 수와 펄스 폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I31)과 제2 구간(I44)의 펄스 진폭은 동일하지만, 제2 구간(I44)에서 펄스의 수와 폭이 제1 구간(I31)의 펄스의 수와 폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I44)의 단차 전압(SV32)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
도 3e는 펄스 수와 펄스 진폭을 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 제1 구간(I31)과 제2 구간(I45)의 펄스 폭은 동일하지만, 제2 구간(I45)에서 펄스 수와 펄스 진폭이 제1 구간(I31)의 펄스 수와 펄스 진폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I45)의 단차 전압(SV32)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차 스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
도 3f는 펄스 수, 펄스 진폭, 펄스 폭을 모두 조절하여 2 단차 스텝 전압을 형성하는 예를 도시하고 있다.
도 3f에 도시한 바와 같이, 제2 구간(I46)에서 펄스 수, 펄스 진폭, 펄스 폭이 제1 구간(I31)의 펄스 수, 펄스 진폭, 펄스 폭보다 크다. 그 결과, 펄스들의 실효값으로 나타나는 제2 구간(I46)의 단차 전압(SV32)이 제1 구간(I31)의 단차 전압(SV31)보다 크게 되어, 결과적으로 2 단차 스텝 전압이 캐소드부(120)와 캐리어(140) 사이에 걸리게 된다.
이상 본 발명을 여러 실시예에 기초하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것이며 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 통상의 기술자라면, 위 실시예에 기초하여 본 발명의 사상을 다양하게 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러한 변형이나 수정은 아래의 특허청구범위에 의해 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명은 스퍼터에 이용되어, 캐소드부에 인가되는 펄스 전압으로 인해 캐소드부에 순간 고전압이 발생하는 것을 최소화한다. 펄스 전원을 이용하는 스퍼터링 공정에서, 순간 고전압으로 인해 발생하는 박막 결함, 예를들어 스트레스, 균열 등을 억제한다.

Claims (6)

  1. 스퍼터의 캐소드부에 전원을 공급하는 전원 장치에 있어서,
    상기 캐소드부에 제1 단차 전압을 발생시키는 제1 펄스 신호 열과, 상기 제1 펄스 신호 열에 인접하고 상기 캐소드부에 상기 제1 단차 전압보다 높은 제2 단차 전압을 발생시키는 제2 펄스 신호 열을 포함하는 펄스 신호 구간; 및
    상기 펄스 신호 구간에 인접하고, 펄스 신호 열을 포함하지 않는 블랙 신호 구간을 생성하며,
    상기 펄스 신호 구간 및 상기 블랙 신호 구간을 반복적으로 상기 캐소드부에 인가하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단차 전압과 상기 제2 단차 전압의 크기는
    상기 제1, 2 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스 신호 구간은
    상기 제2 펄스 신호 열에 인접하고, 상기 캐소드부에 상기 제2 단차 전압보다 높은 제3 단차 전압을 발생시키는 제3 펄스 신호 열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3 단차 전압의 크기는
    상기 제3 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
  5. 스퍼터의 캐소드부에 전원을 공급하는 전원 장치에 있어서,
    상기 캐소드부에 제1 단차 전압을 발생시키는 제1 펄스 신호 열, 상기 제1 펄스 신호 열에 인접하고 상기 캐소드부에 상기 제1 단차 전압보다 낮은 제2 단차 전압을 발생시키는 제2 펄스 신호 열, 및 상기 제2 펄스 신호 열에 인접하고 상기 캐소드부에 상기 제1 단차 전압보다 높은 제3 단차 전압을 발생시키는 제3 펄스 신호 열을 포함하는 펄스 신호 구간; 그리고
    상기 펄스 신호 구간에 인접하고, 펄스 신호 열을 포함하지 않는 블랙 신호 구간을 생성하며,
    상기 펄스 신호 구간 및 상기 블랙 신호 구간을 반복적으로 상기 캐소드부에 인가하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1, 2, 3 단차 전압의 크기는
    상기 제1, 2, 3 펄스 신호 열의 펄스 수, 펄스 폭, 펄스 진폭 중에서 적어도 하나를 변화시켜 조절하는 것을 특징으로 하는, 스퍼터 전원 장치.
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